鄭建才， 申 陽， 林 毅

(浙江海洋大學(xué) 船舶與機(jī)電工程學(xué)院, 浙江 舟山 316022)

0 引 言

吊艙式電力推進(jìn)方式是將吊艙螺旋槳轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的推力, 通過推進(jìn)電機(jī)的推力軸承傳遞給船體,從而推動船舶航行的一種方式，具有操縱靈活、機(jī)動性好、安全性佳、使船舶各零部件的布局靈活化等優(yōu)點(diǎn)[1]。

吊艙式螺旋槳驅(qū)動的船舶具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)可保持360°回轉(zhuǎn)且能滿推力操縱；(2)不需要軸系、軸包套和舵等附體；(3)減少了繁雜的機(jī)械設(shè)施,用電纜代替,可節(jié)省大量空間；(4)固定螺距的螺旋槳直接連接在電機(jī)軸上,機(jī)槳同軸,省去了齒輪傳動。

1 雙艏雙向船型

以吊艙式推進(jìn)船舶為前提,提出雙艏雙向吊艙式電力推動船舶的理念，即船舶擁有兩個船首(船體前后嚴(yán)格對稱或非嚴(yán)格對稱),在搭載吊艙螺旋槳的情況下,船體可不經(jīng)回轉(zhuǎn)原地反向行駛。與傳統(tǒng)熱機(jī)-機(jī)械的推進(jìn)形式相比,雙艏雙向船在全電力吊艙螺旋槳的配合下,具有以下優(yōu)勢：

(1) 外觀設(shè)計(jì)對稱優(yōu)美。

(2) 雙船首成流線型，能夠降低黏壓阻力。

(3) 雙艏雙向船能直接通過電力電子系統(tǒng)控制操縱,搭載吊艙螺旋槳提高了推進(jìn)效率及操縱性能,可在各種氣候和緊急條件下實(shí)施緊急制動回航。

(4) 雙艏雙向船能直接反向行駛,克服了船舶回轉(zhuǎn)時回轉(zhuǎn)直徑過大的缺點(diǎn),在江海短途聯(lián)運(yùn)中具有極大的機(jī)動性,可有效避免船舶回轉(zhuǎn)時處于穩(wěn)性、操縱性較差的狀態(tài)。

(5) 短時間內(nèi)進(jìn)行簡單的操作即可直接完成回航操作,避免在滿舵回轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)回轉(zhuǎn)速降的情況。

(6) 在海上風(fēng)浪大時,避免了回轉(zhuǎn)時的突風(fēng)對船舶穩(wěn)性的影響,避免在回轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)大橫傾角現(xiàn)象引起的翻船事故。

(7) 電力推動使主機(jī)在特定工況下能穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn),且始終在優(yōu)化負(fù)荷點(diǎn)附近運(yùn)行。由于雙艏雙向船型改進(jìn)了流體動力性能(螺旋槳遇到的是更均勻、干擾更少的水流,從而提高了效率)，可以使燃油消耗率減少18%[2],而且由于燃油消耗降低帶來的壽命周期的延長可以超過起初電力推進(jìn)的成本。

(8) 雙艏雙向雙槳使船舶航行安全可靠,提高安全因數(shù),更能適應(yīng)復(fù)雜的海況變化,為準(zhǔn)時抵達(dá)提供保障。

(9) 小水線面雙體船運(yùn)用雙艏雙向船型,可為娛樂性船和軍品船提供更大的甲板布置空間。

(10) 小水線面雙體船采用雙艏雙向更能增加有效載荷。相比于傳統(tǒng)船舶,吊艙電力推動雙艏雙向船舶能增加約10%的船舶容量和更大的甲板面積。

(11) 增加了高速穿浪雙體船的隱身性和機(jī)動性。

(12) 雙艏雙向能增加緊急狀況下船舶的操縱性,雙艏雙向使其應(yīng)付緊急狀態(tài)的能力增強(qiáng),能保證其在戰(zhàn)爭中的存活率。

(13) 由于主機(jī)能穩(wěn)定持久運(yùn)轉(zhuǎn),避免了不同工況時船舶主機(jī)消耗燃油功率不一致的情況,因此NOx和SOx的排放量顯著降低,滿足節(jié)能減排的要求。

(14) 電力吊艙推進(jìn)使船舶在正常航行時,能獲得90 rad/min[3]及以下的低轉(zhuǎn)速。

(15) 采用對稱船型，能減少設(shè)計(jì)和建造工作量，提高造船效率。

2 雙艏雙向船概念模型的提出與建立

荷蘭游艇設(shè)計(jì)公司Sinot Exclusive首次公布了一款打破常規(guī)的180 m對稱概念游艇：Symmetry。Symmetry船長為180 m，型寬為29 m，總噸位為18 256 t，滿載吃水為7.0 m;船體材料為鋼，上層建筑材料為鋁，通過PYC認(rèn)證，發(fā)電機(jī)為8×20 V 4 000 M53B柴油機(jī)驅(qū)動,最大航速為20.1 kn，載客量為34人，船員48人，提供18 000 t的內(nèi)部存儲量和超過1 000 m2的居住空間，如圖1所示。

圖1 Symmetry概念圖

基于該游艇的概念,提出雙艏雙向船的設(shè)計(jì)理念,并采用全電力吊艙螺旋槳推動,對其進(jìn)行理論分析和數(shù)據(jù)計(jì)算,研究其可行性。

3 雙艏雙向雙體模型的可行性分析

調(diào)整變動壓載,使船體水線與水平面的夾角為小角度(5°～10°，具體傾斜角度應(yīng)根據(jù)不同船舶而定)，使船舶在航行過程中保持艉傾狀態(tài),采用吊艙螺旋槳能改善船舶推進(jìn)和阻力特性[4]。

根據(jù)其航行特性,船舶在艉傾狀態(tài)下,螺旋槳發(fā)出的推力使雙艏雙向高速穿浪雙體船在高速航行狀態(tài)下,船首略微抬離出水面(可避免船舶航行時的埋艏現(xiàn)象)。

本文對高速穿浪雙體船采用雙艏雙向船型(見圖2)時,對其進(jìn)行如下可行性分析。

圖2 雙艏雙向雙體船

(3) 船首抬離水面,必然導(dǎo)致船舶處于艉傾狀態(tài)：一方面可減少甲板上浪,有利于螺旋槳的工作效能；另一方面雙艏雙向船型后體收縮緩和,避免了邊界層分離現(xiàn)象,減小了船舶首尾壓差,使船體黏壓阻力相對于普通船減小。

(4) 由于其船體表面曲度變化緩和,不至于在舭部導(dǎo)致很大的邊界層分離,產(chǎn)生舭部漩渦。

(5) 由于伴流作用的影響,可能使螺旋槳推進(jìn)效率有所下降,但其槳軸沉深增加,有利于增加其空泡性能和抗震性能[6],其推進(jìn)性能也隨之有所提高。

(6) 吊艙螺旋槳安裝在船中(螺旋槳在船中后位置),雖然增加了附體阻力,但是減少了軸支架、軸包套和舵等附體,其附體阻力增加相對不大。

(7) 由于雙艏雙向船型螺旋槳安裝在船體底部,其應(yīng)航行在相對吃水無限制的區(qū)域。

4 未來雙艏雙向船在船舶方面的應(yīng)用

4.1 民用領(lǐng)域

(1) 適用于狹窄航道頻繁往返運(yùn)輸。目前我國狹窄港口只能通過疏浚航道提高競爭力,但由于基礎(chǔ)港口建設(shè)資源有限,無法投入大量的資金疏浚航道,因此給引航工作帶來很大難度。雙艏雙向船能夠完全解決狹窄航道的船舶操縱、避碰、轉(zhuǎn)向和回航等問題。

(2) 私人游艇。Sinot Exclusive公司提出的Symmetry概念游艇具有雙艏雙向性,打破了常規(guī)游艇的理念,使航行具有更高的靈活性，甲板也沿中心線對稱,雙艏雙向設(shè)計(jì)讓航行的方向可任意迅速變化,試驗(yàn)驗(yàn)證其切實(shí)可行。

(3) 江海聯(lián)運(yùn)短程頻繁往返運(yùn)輸。隨著我國江海聯(lián)運(yùn)的發(fā)展,由于內(nèi)河航道的特殊性,采用雙艏雙向吊艙螺旋槳可最大程度地改善其操縱性,使?fàn)I運(yùn)效率最大化。

(4) 南極科學(xué)調(diào)查雙艏雙向破冰船。我國雙向破冰船實(shí)現(xiàn)首航。在環(huán)境極其惡劣的南極冰區(qū),若采用雙艏雙向的破冰方式,無疑加快了轉(zhuǎn)向回航速度,給科研調(diào)查節(jié)省大量時間,為調(diào)查船節(jié)省了燃料,增加了船舶續(xù)航力和自持力。

(5) 雙艏雙向無動力波浪滑行器。雙艏雙向無動力波浪滑行器作為水面以上的浮體，能夠更好地依靠波浪能獲得前進(jìn)的推動力。雙艏雙向無動力波浪滑行器與傳統(tǒng)的浮體相比，更能適應(yīng)長時間、大范圍和惡劣海況的探測任務(wù)。

4.2 軍用領(lǐng)域

(1) 小水線面雙體船。雙艏雙向雙體船可實(shí)現(xiàn)立即倒車航行, 有略微艉傾現(xiàn)象,但船體尾部流線收縮緩和,減小了邊界層分離,降低船舶黏壓阻力，可改善其阻力推進(jìn)性能。

(2) 高速穿浪雙體船如圖3所示。由于該船型具有更好的穿浪性能[7],雙艏雙向的使用改善了它的運(yùn)動性能(尤其是高速穿浪雙體船的埋艏性和升沉性)，增加了它的過浪性能，提高了高速穿浪雙體船立刻回航的回轉(zhuǎn)性。

圖3 雙艏雙向高速穿浪雙體船

(3) M形船如圖4所示。擁有較高的消波性能和穿浪性能,搭載雙艏雙吊艙螺旋槳后,在消波性能、操縱性以及在逆風(fēng)、逆浪工況中高速航行等方面更顯出其優(yōu)越性能[8]。

圖4 雙艏雙向M形船

5 回轉(zhuǎn)特性定量計(jì)算

5.1 從船型角度分析

雙艏雙向船舶能夠直接經(jīng)減速后立即反向行駛,避免了普通船舶回轉(zhuǎn)過程中的減速,以及在回轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)失速、失穩(wěn)、耗時和消耗多余燃油等問題,下文對其進(jìn)行定量計(jì)算。

普通船舶在轉(zhuǎn)向或回轉(zhuǎn)過程中,其對地速度V、角速度ω、運(yùn)動黏度v與回轉(zhuǎn)半徑R之間的估算求解公式為

(1)

(2)

(3)

根據(jù)式(3),對于一般船舶而言,ω約為5 (°)/min,V約為20 kn時，R=3.82 m,故其回轉(zhuǎn)路程S=πR=12.00 m,耗時t=0.60 h。根據(jù)在正常航行中主機(jī)燒重油,單位耗油量為177 g/(kW· h),假設(shè)主機(jī)功率為6 000 kW，故燃油消耗量應(yīng)為0.319 t。

在雙艏雙向船型的回轉(zhuǎn)過程中(最大轉(zhuǎn)動速度為60 (°)/s,最大轉(zhuǎn)動加速度為200 (°)/s2時),功耗小于240 W,幾乎不消耗任何時間和燃油。

進(jìn)而得出結(jié)論：相對于功率為6 000 kW的普通船而言,回轉(zhuǎn)一次節(jié)省了約0.3 h,減少耗油約0.3 t(約合市場價819元),對經(jīng)常需要回轉(zhuǎn)的船舶而言,這無疑是一個巨大的節(jié)約成本的優(yōu)勢。另一方面,如果船舶在狹窄航道或彎道行駛,其轉(zhuǎn)向易受到相關(guān)水文條件的限制,雙艏雙向船型則能節(jié)約更多的轉(zhuǎn)向時間,節(jié)省更多的燃油,更加方便靈活。由此說明，雙艏雙向船舶在短途聯(lián)運(yùn)的工程船、科學(xué)調(diào)查船、軍船和游艇等領(lǐng)域有著極大的應(yīng)用前景。

5.2 從推進(jìn)形式分析

雙艏雙向船型采用全電力推動,相比于傳統(tǒng)的柴油機(jī)推動：(1)由水池試驗(yàn)和航行試驗(yàn)資料可知,吊艙電力推進(jìn)裝置比普通柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)效率約高10%[9],而燃油消耗量卻減少約18%。(2)電力吊艙推進(jìn)系統(tǒng)由于減少了軸系傳動裝置和軸包套、舵等附體,采用表面冷卻,減少了冷卻系統(tǒng)等一系列裝置,質(zhì)量比同等功率的常規(guī)柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)輕約250 t[10]。(3)電力推進(jìn)吊艙系統(tǒng)在可靠性上也有很大的優(yōu)勢,ABB公司設(shè)計(jì)的吊艙推進(jìn)器12年間平均無故障率高達(dá)99.73%[11]。

由“滇游1號”電力推進(jìn)客船資料[12]可知：與常規(guī)柴油機(jī)推進(jìn)船舶相比,在經(jīng)濟(jì)航速下,該船電力推進(jìn)系統(tǒng)總功率比柴油機(jī)總功率降低10%,節(jié)省燃油10%，年維修費(fèi)用約減少30%。由該船的實(shí)際使用過程可知,電力系統(tǒng)綜合性能優(yōu)于傳統(tǒng)柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)。

5.3 從環(huán)境保護(hù)角度分析

從有毒有害氣體排放角度考慮：船舶柴油機(jī)NOx的排放量在變速運(yùn)轉(zhuǎn)工況下比在恒速運(yùn)轉(zhuǎn)工況下大；而吊艙式全電力推進(jìn)系統(tǒng)能使柴油機(jī)始終處于恒速工況和優(yōu)化負(fù)荷點(diǎn)附近運(yùn)行,因此其污染性氣體排放量將顯著降低。

從艙底水角度考慮：統(tǒng)計(jì)資料表明,吊艙式電力推進(jìn)船舶艙底水比同類船型柴油機(jī)推進(jìn)船舶減少了30%以上[13],能夠減小艙底水對我國內(nèi)河的水污染。

6 結(jié)果與討論

雙艏雙向船搭載吊艙螺旋槳推進(jìn)器，其電力推進(jìn)性能與雙向行駛性能緊密配合,既增強(qiáng)了船舶航行的靈活性,又提高了船舶雙向行駛中的安全因數(shù)。通過變動壓載使船舶處于艉傾狀態(tài),不但使船舶推進(jìn)性能有所提升,而且勢必讓船舶總阻力有所下降,且在換向行駛的過程中,節(jié)省了大量的人力和時間,為船舶續(xù)航力和自持力提供了一定保障。經(jīng)數(shù)據(jù)計(jì)算,該方案切實(shí)可行。

雙艏雙向船采用全電力推動,不僅能在操縱性上取得極大進(jìn)步,還在節(jié)省運(yùn)營成本和節(jié)能減排上取得一定成效。隨著社會科技的發(fā)展,人們對環(huán)境保護(hù)的意識逐漸提高,相信不久的將來,全電力推進(jìn)雙艏雙向船定能夠得到大力發(fā)展。

7 結(jié)論

本文提出一種全新的雙艏雙向船型概念,即在全電力推進(jìn)方式下,搭載吊艙螺旋槳,對高速穿浪雙體船、小水線面雙體船、M形船采用雙艏雙向船型,實(shí)現(xiàn)了船舶阻力、操縱、避碰、轉(zhuǎn)向和回航等相關(guān)性能，且節(jié)能高效。本文對雙艏雙向高速穿浪雙體船模型進(jìn)行可行性分析,從理論上定性得知其阻力和推進(jìn)性能優(yōu)越。對雙艏雙向船全電力吊艙螺旋槳推進(jìn)和普通船舶柴油機(jī)螺旋槳推進(jìn)進(jìn)行相關(guān)定量計(jì)算,得知雙艏雙向船不僅能夠節(jié)能減排,還能節(jié)約時間,減小維修和營運(yùn)成本。

下一步將進(jìn)行相關(guān)建模,進(jìn)行CFD分析和水動力試驗(yàn),定量研究相關(guān)性能，并解決建造相關(guān)問題。